PH -mittari (lausuttu "pH -mittari", englanninkieliset pH -mittari ) - laite vety -indeksin mittaamiseksi (pH -indeksi), karakterisoimalla vetyionien aktiivisuutta liuoksissa , vedessä , elintarvikkeissa ja raaka -aineissa , ympäristöobjekteissa ja tuotantojärjestelmissä jatkuviin teknisten prosessien seuranta, myös aggressiivisissa ympäristöissä. Erityisesti pH -mittaria käytetään uraanin ja plutoniumin erotusliuoksen pH: n laitteistojen seurantaan , joissa laitteiden lukemien oikeellisuudelle tarkoitetut vaatimukset ilman sen kalibrointia ovat erittäin korkeat.
pH-mittarin toiminta perustuu elektrodijärjestelmän EMF :n arvon mittaamiseen, joka on verrannollinen vetyionien aktiivisuuteen liuoksessa - pH ( pH ). Mittauspiiri on pohjimmiltaan suoraan pH-yksiköissä kalibroitu volttimittari tietylle elektrodijärjestelmälle (yleensä mittauselektrodi on lasia, apuväline hopeakloridia).
Laitteen tuloresistanssin on oltava erittäin korkea - tulovirta ei ylitä 10-10 A (hyvillä laitteilla alle 10-12 A), eristysresistanssi tulojen välillä on vähintään 10 11 ohmia, koska mittapään lasielektrodin korkeaan sisäiseen resistanssiin . Tämä on laitteen tulopiirin päävaatimus.
Historiallisesti EMF mitattiin aluksi kompensointimenetelmällä käyttämällä potentiometriä ja herkkää galvanometriä . Kun piiri on tasapainossa, galvanometrin läpi ei kulje virtaa, eikä elektrodien kuormitus vaikuta - EMF luetaan oikein potentiometrin asteikolla. Myös ballistista galvanometrimenetelmää on sovellettu . Ensin elektrodeilta ladattiin kondensaattori, sitten se purettiin galvanometrin runkoon, jonka suurin poikkeama on verrannollinen kondensaattorin varaukseen ja siten jännitteeseen.
Sitten oli laitteita, joissa oli tulovahvistin elektronisissa putkissa. Erikoislampuilla ("elektrometrisilla") on verkkovuotovirta pikoampeerien luokkaa, mikä mahdollistaa suurten tuloresistanssien saavuttamisen. Tällaisten järjestelmien haittana on suuri kalibroinnin ajautuminen ja poikkeama, joka johtuu väistämättömästä ikääntymisestä ja lampun ominaisuuksien muutoksista.
Driftin ja samalla korkean tuloimpedanssin ongelman ratkaisemiseksi modulaattori-demodulaattori -periaatteella rakennetut kompensointipiirit vahvistimella mahdollistivat. Mekaaninen avain ( värähtelyanturi ) kytkee vuorotellen pienen kondensaattorin tulo- ja takaisinkytkentäpiiriin. Jos DC -jännitteet niiden yli ovat erilaisia, niin pieni vaihtovirta virtaa kondensaattorin läpi, joka luo vuorottelevan jännitteen syöttövalaisimen ruudukkovastuksen läpi. Lisäksi pulsaatiot monistetaan useilla kaskadeilla, ja ne syöttävät vaihelähtöisen demodulaattorin (yksinkertaisimmassa tapauksessa sama tärinänanturi, jonka sähkömagneetti on kytketty yhdensuuntaisesti ensimmäisen sähkömagneetin kanssa). Lähtö on jännite, joka on verrannollinen sisääntulon jännite-eroon. Takaisinkytkentäpiiri (resistiivinen jakaja) asettaa kokonaisvahvistuksen yrittäen ylläpitää nollajännite-eroa vahvistimen tulossa. Tämä piiri on käytännössä vailla ajautumista, vahvistus riippuu vähän lamppujen kulumisasteesta. Vaatimukset itse lampuille ovat pienentyneet - kalliiden elektrometristen sijasta voidaan käyttää massavastaanotto-vahvistuslamppuja. Näin toimii esimerkiksi kotitalouslaite pH-340.
Myöhemmissä malleissa käytettiin dynaamista kondensaattoria kosketusmuuntimen sijasta, myöhemmin valonpulssit valaisevan valoresistenssin avain (esimerkiksi EV-74-ionomeeri), ja syöttölamput korvattiin kenttävaikutustransistoreilla .
Nykyään useimmat tarkimmat MOSFET-tulon operaatiovahvistimet ja jopa yksinkertaisimmat ADC :t täyttävät tuloimpedanssivaatimukset.
Koska elektrodijärjestelmän EMF on erittäin riippuvainen lämpötilasta, lämpökompensointipiiri on tärkeä. Aluksi käytettiin kupariresistanssilämpömittareita , jotka sisältyivät monimutkaisiin takaisinkytkentäsiltapiireihin, tai potentiometriä asteikolla, jonka kahvalla asetettiin elohopealämpömittarilla mitattu lämpötila-arvo . Tällaisissa piireissä on suuri määrä viritysvastuksia, ja niitä on erittäin vaikea virittää ja kalibroida. Nyt lämpötila-anturi toimii erillisellä ADC:llä, kaikki tarvittavat säädöt tekee mikrokontrolleri .
Jännitteen likimääräinen riippuvuus pH:sta (järjestelmässä, jossa on lasi- ja hopeakloridielektrodit ) on seuraava.
Kalibroitaessa puskuriliuoksia, joiden pH-arvo on tarkasti tiedossa, tehdään kaksi pääsäätöä - vahvistuskulma ja nollapoikkeama. Myös ns. isopotentiaalipiste (pHi, Ei) säädetään - pH-arvo ja vastaava EMF, jossa järjestelmän EMF ei riipu lämpötilasta. Nykyaikaiset elektrodijärjestelmät (lukuun ottamatta erikoiselektrodeja vahvoille hapoille ja emäksille) on valmistettu isopotentiaalipisteellä noin pH = 7 ja EMF:llä +/- 50 mV. Nämä ominaisuudet on määritelty jokaiselle lasielektrodille.
Puolustuskäsky oli 1940-luvun lopulla ja 1950-luvun alussa kannustin intensiiviselle tutkimukselle tämän tyyppisten mittalaitteiden alalla. Tämä johtui muun muassa siitä, että erityinen rooli reaktioiden hallinnassa eri kemiallisissa prosesseissa on osoitettu instrumenteille, joiden lukemien tarkkuus vaikuttaa suoraan koko teknologisen ketjun oikeellisuuteen; suurimmassa määrin tietysti vaarallisilla teollisuudenaloilla ympäristön tilalukemien ottaminen joko aiheuttaa terveysriskin tai on teknisesti mahdotonta (aggressiivinen ympäristö, korkeat lämpötilat ja paineet, eristämistä vaativat prosessit jne.).
Siten ydinfuusiossa ja aselaatuisen plutoniumin tuotannossa on ensiarvoisen tärkeää ymmärtää toimintoihin vaikuttavien materiaalien rakenne ja ominaisuuksia sekä niistä valmistettujen lasielektrodien käännettävyys - kuten jo todettiin, tärkeintä tämän mittauslaitteen osia.
Vuonna 1951 fysikokemisti M. M. Schultz todisti ensimmäisenä termodynaamisesti tiukasti ja kokeellisesti erilaisten lasien natriumfunktion eri pH-alueilla, mikä oli yksi lasielektrodin B. P. Nikolskyn ioninvaihtoteorian keskeisistä hypoteeseista . Tästä tuli ratkaiseva vaihe matkalla näiden laitteiden teolliseen teknologiaan, ionometrian muodostamiseen lasilla, myöhemmin kalvoelektrodeilla, mikä mahdollisti niiden massatuotannon järjestämisen ja mahdollisti niiden käytön kaikissa laboratorio- ja tuotantoolosuhteissa [ 1] . Tämän luokan analyyttisten laitteiden ensimmäisten näytteiden tuotantoon osallistui Tbilisi SKB "Analitpribor", jota edustavat sen työntekijät V. A. Dolidze , G. A. Simonyan ja muut, Moskovan tutkijat V. P. Yukhnovsky, A. S. Benevolsky ja muut., Harkovin tutkijat V. V. Aleksandrov, N. A. Izmailov, - Gomelin mittauslaitteiden tehtaalla vuonna 1959 ; ja siitä lähtien, vuoteen 1967 mennessä , lasin ja apuelektrodien tuotanto teollisuus- ja laboratoriotarkoituksiin on kasvanut 1,5 tuhannesta lähes 2 miljoonaan kappaleeseen. Tehtaalla saman kauden aikana hitsattujen elektrodilasien määrä nousi 1 000 kilosta yli 200 000 kiloon.
Elektrodilasin tuotannon kehitys ja laajentaminen teki tämän analyysilaitteiston saataville.
Nykyaikaiset mittauselektrodit ovat rakenteellisesti:
Useimmissa ulkomaisissa kotitalouselektrodeissa ne on valmistettu ei-ladattavan anturin muodossa, jossa on sisäänrakennettu vertailuelektrodi. Vähemmän yleisiä ovat ladattavat, joissa on sisäänrakennettu vertailuelektrodi. Neuvostoliiton tyyliset elektrodit, useimmiten erikseen tehdyllä ohjauksella ja ladattavalla, mikä alensi merkittävästi lasiosan vaihtokustannuksia.
Kaikkien nykyaikaisten elektrodien tärkein käytännön haittapuoli on asteittainen mikrohalkeamien kerääntyminen lasiin tai mikrohuokosten saastuminen. Orgaanisten ja joidenkin epäorgaanisten epäpuhtauksien tapauksessa puhdistaminen suolahappoliuoksella auttaa. Kuitenkin, jos epäpuhtaudet ovat inerttejä kloorauksen suhteen tai joissa on merkittäviä mikrohalkeamia, anturin lukemat muuttuvat peruuttamattomasti. Tässä on syytä huomata, että vaikka elektrodia ei käytetä, lasin huokoisuus muuttuu ja tapahtuu ikääntymistä. Tietyllä elektrodin lukemien muutosalueella elektrodin lukemat tasoitetaan säännöllisellä puhdistuksella ja kalibroinnilla. Heti kun mittausyksikön ominaisuudet eivät salli kalibroidun arvon asettamista, elektrodi on hävitettävä. On myös syytä huomata toinen haitta, joka liittyy vanhojen tai viallisten elektrodien käyttöön. Selkeillä kalibrointiliuosten lukemilla voidaan havaita parametrin hidas ryömintä mitatuissa liuoksissa. Tämä käyttäytyminen perusteellisen puhdistuksen ja kalibroinnin jälkeen on myös osoitus lasin/kalvoosan tai koko anturin korvaamiseksi.
Laitetta voidaan käyttää monilla teollisuudenaloilla, joilla on tarpeen valvoa ympäristöä, jonka tilan ja vaatimustenmukaisuuden universaali indikaattori on pH: kaikentyyppisten polttoaineiden korkean teknologian tuotannossa, farmakologisessa , kosmetiikka, maali ja lakka, kemianteollisuus, elintarviketeollisuus ja monet muut. muut; pH-mittareita käytetään laajalti kemistien, mikrobiologien ja maaperätieteilijöiden, maatalouskemistien tutkimustoiminnassa kiinteissä ja liikkuvissa laboratorioissa, mukaan lukien kenttälaboratoriot, sekä kliinisessä diagnostiikassa (fysiologisten normien ja diagnostiikan seurantaan), oikeuslääketieteessä. Viime aikoina pH-mittareita on käytetty laajalti myös akvaariotiloilla, veden laadun seurantaan kotioloissa, maataloudessa (erityisesti vesiviljelyssä).
Lääketieteellistä pH-mittaria, jota käytetään happamuuden mittaamiseen suoraan ihmisen ontoissa elimissä, kutsutaan acidogastrometriksi .